способ локальной защиты изделия от газового алитирования

Формула изобретения

Способ локальной защиты изделия от газового алитирования, включающий экранирование отдельных участков изделия путем нанесения на его поверхность подслоя керамики и последующего нанесения слоя металлического защитного вещества, отличающийся тем, что в качестве подслоя керамики наносят слой ZrO₂ • Y₂O₂ толщиной 10...30 мкм, а в качестве слоя металлического защитного вещества наносят комплексное покрытие системы MeCrAlY, где Me - Ni, Co, толщиной 50...70 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химико-термической обработке жаропрочных сплавов и может использоваться в машиностроении.

Известен способ локальной защиты замковой части турбинных лопаток при алитировании путем обмазки замка следующим составом: диоксид титана - 18-22 мас.%, нитрид титана - 14-16 мас.%, триоксид теллура - 0,5-1,5 мас.%, жидкое стекло – остальное (а.с. СССР №1574677, С 23 С 8/02, 1983).

Недостатком способа является трудоемкость нанесения обмазки и неравномерность толщины обмазки. Возможно коррозионное взаимодействие обмазки с металлом лопатки и локальное алитирование защищаемой поверхности.

Наиболее близким по технической сущности является способ локальной защиты изделия от газового алитирования, включающий экранирование отдельных участков изделия путем нанесения на его поверхность подслоя керамики и последующего нанесения слоя металлического защитного вещества (патент США №5725905, С 23 С 10/04, 1998).

Недостаток способа проявляется в том, что керамический подслой имеет большую пористость, возможно растрескивание подслоя. Эти недостатки могут привести к появлению алюминидного покрытия на защищаемой поверхности.

Задачей изобретения является повышение надежности локальной защиты изделия от газового алитирования. Технологией изготовления лопаток не допускается нанесение алюминидного покрытия на наружную поверхность нарезанного замка лопаток, это может привести к значительному снижению усталостной прочности лопаток.

Поставленная задача достигается тем, что в способе локальной защиты изделия от газового алитирования, включающем экранирование отдельных участков изделия путем нанесения на его поверхность подслоя керамики и последующего нанесения слоя металлического защитного вещества, причем в качестве подслоя керамики наносят слой ZrО₂·Y₂O₃ толщиной 10...30 мкм, а в качестве слоя металлического защитного вещества наносят комплексное покрытие системы MeCrAlY, где Me - Ni, Co, толщиной 50...70 мкм.

Известно, что для повышения жаростойкости на наружные поверхности лопаток турбины наносят теплозащитные покрытия, которые состоят из двух слоев: внешнего керамического ZrO₂·Y₂О₃ и внутреннего металлического NiCrAlY. Обычно керамика наносится плазменным методом или электронно-лучевым напылением толщиной 60-200 мкм. Для предотвращения скалывания керамическое покрытие наносят с контролируемой пористостью и распределенными внутри микротрещинами. Стабилизация керамики 8% Y₂О₃ приводит к повышению ее термостойкости, прочности и вязкости разрушения. Однако керамика обладает низкой адгезией к жаропрочным никелевым сплавам. Этот недостаток устраняется за счет нанесения металлического подслоя системы NiCrAlY, который характеризуется высокой адгезией к двуокиси циркония. Металлический подслой наносится на поверхность детали методом вакуумной плазменной технологии высоких энергий или электронно-лучевым напылением из сплавов NiCrAlY, CoCrAlY, NiCoCrAlY толщиной 60...100 мкм (Н.В.Абраимов, Высокотемпературные материалы и покрытия для газовых турбин, М.: Машиностроение, 1993, с.17-61).

В предлагаемом техническом решении на поверхность изделия первым наносится подслой керамики ZrO₂·Y₂О₃, а затем слой металлического защитного вещества - комплексное покрытие системы MeCrAlY, где - Me - Ni, Со. Подслой керамики выполняет роль инертной прослойки, которая не взаимодействует с металлом изделия при высокой температуре и обладает низкой адгезией. Слой металлического защитного вещества обеспечивает плотное прилегание керамического подслоя к металлу изделия и увеличивает его механическую прочность. При алитировании слой металлического защитного вещества взаимодействует с насыщающей газовой средой и в нем происходит формирование алюминидного покрытия, толщина которого определяется температурой и временем алитирования. Слой металлического защитного вещества исключает проникновение насыщающей газовой среды к поверхности изделия и образование на ней алюминидного покрытия.

На чертеже приведено изображение шлифа образца.

Способ локальной защиты изделий от газового алитирования реализуют следующим образом.

Для экранирования отдельного участка изделия, например наружной поверхности замка лопатки, на ее поверхность наносят подслой керамики ZrO₂·Y₂О₃, которая не взаимодействует с металлом изделия при высокой температуре и обладает низкой адгезией.

Слой металлического защитного вещества, комплексное покрытие системы MeCrAlY, где Me - Со, Ni, наносят на керамику. Слой металлического защитного вещества обеспечивает плотное прижатие керамического подслоя к металлу изделия и увеличивает его механическую прочность. При алитировании слой металлического защитного вещества взаимодействует с насыщающей газовой средой и в нем происходит формирование алюминидного покрытия, толщина которого определяется температурой и временем алитирования. Слой металлического защитного вещества исключает проникновение насыщающей газовой среды к поверхности изделия и образование на ней алюминидного покрытия.

Толщина подслоя керамики определяется механическими характеристиками. При толщине керамического подслоя больше 30 мкм возможно его скалывание с поверхности изделия, а при толщине подслоя меньше 10 мкм он обладает большой пористостью.

Толщина металлического защитного вещества должна превышать толщину алюминидного покрытия. При толщине металлического слоя меньше 20 мкм в нем наблюдается высокая микропористость и возможно проникновение насыщающей газовой среды через керамический подслой к поверхности изделия и формирование алюминидного покрытия. При газовом алитировании лопаток толщина алюминидного покрытия обычно не превышает 40...50 мкм. Для исключения проникновения насыщающей газовой среды к поверхности изделия и образования на ней алюминидного покрытия достаточно нанести металлическое защитное вещество, комплексное покрытие системы MeCrAlY, где Me - Со, Ni, толщиной 50 мкм.

После нанесения защитного покрытия производят алитирование детали. Защитный слой после алитирования удаляется.

Пример конкретного выполнения.

На установке ШГА1/1 обрабатывались серии рабочих лопаток из сплава ЖС26ВНК - наносилось алюминидное покрытие методом газового алитирования. Режим насыщения: время обработки 6 ч, температура 980С, периодическая работа вентилятора.

Серия 1. Партия лопаток без защиты (экранирования) замка лопаток с нанесенным на наружную поверхность лопатки покрытием из сплава СДП 2, имеющего следующий состав, маc.%: Ni - основа, Сr 18...22, Al 11...13, Y 0,3...0,6.

Серия 2, 3, 4. На замок лопатки, перед проведением газового алитирования, наносили защитный (экранирующий) подслой из керамики ZrO₂·Y₂О₃, а затем металлический слой из сплава СДП 2.

Результаты металлографического контроля толщины алюминидного покрытия на замке лопатки и на наружной поверхностях пера лопатки приведены в таблице.

Предел выносливости лопаток (по замку) после 2·10⁷ циклов испытаний составил: серия 1-80 МПа, серия 2, 3, 4 - 180 МПа.

Изобретение позволяет повысить надежность локальной защиты изделия от газового алитирования.